��L OLIMPIADA CHEMICZNA
P
M I
LI A A
KOMITET GA�WNY OLIMPIADY CHEMICZNEJ (Warszawa) D
O
1954
2003
50
ETAP I
CH A
EM C Z N
I
Zadania teoretyczne
ZADANIE 1
Synteza leku
Zwizek E, lek stosowany zewntrznie przeciwko
[wierzbowi, mo|na otrzyma ze zwizku A w trzyetapowej
syntezie wedBug nastpujcego schematu:
NaOH
+
Etap I: 2A B C
H2O
HCl
D
Etap II: C
H2SO4
+
+
H2O
D E
B
Etap III:
Zwizek A zawiera pier[cieD benzenowy i reaguje pozytywnie w pr�bie Trommera. Etap I jest
przykBadem reakcji dysproporcjonowania w chemii organicznej, czyli reakcji utleniania i redukcji, w
kt�rej zar�wno utleniaczem jak i reduktorem jest ten sam zwizek. W wyniku analizy spaleniowej ze
100 mg zwizku E otrzymano 290,4 mg CO2 i 50,9 mg H2O. Ponadto wiadomo, |e w skBad zwizk�w
A, B, D i E wchodzi - opr�cz wgla i wodoru - tylko tlen, masa molowa ka|dego ze zwizk�w A, B i
D nie przekracza 125 g/mol, oraz |e masa molowa zwizku E stanowi dwukrotno[ masy molowej
zwizku A.
1. Poda wzory strukturalne zwizk�w A - E. Odpowiedzi nale|y uzasadni, wyprowadzajc
2
przy tym wz�r sumaryczny zwizku E.
2. Wskaza, kt�ry ze zwizk�w: B czy C powstaB w wyniku redukcji, a kt�ry w wyniku
utleniania zwizku A.
Uwaga! Masy molowe nale|y w obliczeniach zaokrgli do drugiego miejsca po przecinku.
ZADANIE 2
MineraBy krzemianowe
Krzemiany wystpuj powszechnie na Ziemi tworzc wiele
r�|norodnych mineraB�w. Badajc jeden z takich mineraB�w
stwierdzono, |e jest on jednorodnym zwizkiem A o
nastpujcym skBadzie: 48,9 % Fe, 3,8 % Mg, 14,5 % Si i 32,8
% O.
krysztaB g�rski
1. (a) Ustal wz�r sumaryczny tego krzemianu. (b) Jakie jony (rodzaj i Badunek) wchodz w skBad
tej soli? (c) Jak mo|na wyja[ni nietypowy stosunek zawarto[ci Fe i Mg w tym zwizku ?
Istnieje wiele analog�w zwizku A, w kt�rych stosunek liczby moli Fe do Mg mo|e by
praktycznie dowolny, przy tym samej zawarto[ci Si i O wyra|onej w % molowych
(atomowych). (d) Jakie cechy atom�w (jon�w) Fe i Mg decyduj o mo|liwo[ci wystpienia
tego zjawiska ?
2. Zapisz wz�r zwizku B, analogu zwizku A, w kt�rym atomy Fe s zastpione atomami Mg
(taki mineraB r�wnie| wystpuje w przyrodzie).
3. MineraBy krzemianowe ulegaj procesom wietrzenia (rozkBadu) pod wpBywem wody i CO2.
Zapisz jonowo zbilansowane r�wnanie reakcji takiego rozkBadu dla zwizku B, wiedzc, |e
jedynym nierozpuszczalnym w wodzie produktem jest SiO2.
4. Dlaczego w[r�d ditlenk�w grupy wglowc�w, SiO2 jest substancj staB, natomiast CO2 jest
gazem ?
3
Uwaga! Masy molowe nale|y w obliczeniach przyj z dokBadno[ci podan w dostpnej tabeli
ukBadu okresowego.
ZADANIE 3
R�wnowagi chemiczne
I. Dysponujc nastpujcymi normalnymi potencjaBami
standardowymi:
2-
S2O8(aq) / SO2- Eo = +2,00 V
4(aq)
- -
ClO(aq) / Cl(aq) Eo = +0,84 V
N2H4(aq) / NH3(aq) Eo = +0,15 V
+
H(aq) / H Eo = 0,00 V
2(g)
CrO2- / Cr(OH)3(s) Eo = -0,13 V
4(aq)
+
Na / Na Eo = -2,71 V
(aq) (s)
a) Okre[l, w kt�r stron bd przesunite r�wnowagi poni|szych reakcji. Odpowiedzi
uzasadnij.
b) Uzgodnij wsp�Bczynniki stechiometryczne tych reakcji. Podaj odpowiednie r�wnania
poB�wkowe.
- -
N2H4 + Cl(aq) NH3(aq) + ClO(aq)
2-
CrO2- + SO2- Cr(OH)3(s) + S2O8(aq)
4(aq) 4(aq)
II. Napisz reakcje nastpujcych kwas�w i zasad Br�nsteda z wod. Wska| sprz|one ze sob pary
kwas- zasada.
- 2-
a) HS(aq) b) NH+ c) CO3(aq) d) (CH3 )2 NH
4(aq)
4
III. {�Bty, nierozpuszczalny w wodzie, jodek srebra(I) reaguje z wodnym roztworem
cyjanku potasu, tworzc rozpuszczalny w wodzie dicyjanosrebrzan(I) potasu oraz s�l A zBo|on
z dw�ch pierwiastk�w.
a) Zidentyfikuj s�l A
b) Napisz r�wnanie powy|szej reakcji
c) 1,0 mol jodku srebra zmieszano z roztworem wodnym zawierajcym 0,5 mola cyjanku
potasu. Po pewnym czasie stwierdzono, |e mieszanina zawiera 0,15 mola soli A. Jakie
skBadniki (opr�cz wody) i w jakiej ilo[ci wystpuj w tym momencie w tej
mieszaninie?
d) Podaj budow elektronow lub wz�r kreskowy jonu cyjankowego
ZADANIE 4
BiomolekuBy zaanga|owane w przekazywanie informacji genetycznych
W procesach genetycznych najwa|niejsz rol odgrywaj trzy
rodzaje czsteczek chemicznych: DNA, RNA i biaBka. Poni|szy
schemat przedstawia przepByw informacji genetycznej zachodzcy w
wikszo[ci kom�rek.
transkrypcja
translacja
replikacja
DNA
RNA BiaBko
a) zwizki, nale|ce do tych trzech grup nazywane s biopolimerami. Poni|ej przedstawiono
monomery wchodzce w skBad tych makroczsteczek. Przyporzdkuj monomery do odpowiednich
grup (DNA, RNA, biaBka).
5
O
O
H3C
N
NH
NH
OH
OH
HO P O N O HO P O N
N
NH2
O O
O
O
2.
1.
OH OH OH
NH2
N
N
O
OH
HO P O N
N
O
OH
O
NH2
OH OH
4.
3.
NH2
N
OH
O
HO P O N O
O
HO OH
O
NH2
OH
6.
5.
b) przyporzdkuj poni|sze hasBa do odpowiednich trzech wymienionych wy|ej grup (Uwaga! niekt�re
hasBa mog si wiza z wicej ni| jedn grup)
- koniec 5 - enzym
- deoksyryboza - beta-harmonijka
- zasada purynowa - podw�jna helisa
- grupa 2 hydroksylowa - C-koniec
- wizanie N-glikozydowe - wgiel asymetryczny
- wizanie amidowe
c) narysuj struktury nastpujcych dimer�w: 5 -GA-3 oraz Ser-Phe (monomery znajduj si na
schemacie powy|ej)
6
d) na narysowanych dimerach zaznacz wizania: peptydowe i fosfodiestrowe
Uwaga! W podpunktach a) i b) ka|de nieprawidBowe przyporzdkowanie hasBa do grupy bdzie
obni|aBo ocen tych podpunkt�w.
ZADANIE 5
WpByw struktury izomerycznych alken�w na ich trwaBo[ na przykBadzie buten�w.
K1
K2
K3
Na podstawie poni|szych danych termodynamicznych: warto[ci standardowych (T = 298 K) entalpii
spalania �Hosp i entropii molowych So substancji, zestawionych dla temperatury T = 298 K:
1. Oszacuj entalpie izomeryzacji 1-butenu do cis- i trans-2-butenu. Naszkicuj cykl termochemiczny
dla jednego z tych izomer�w.
2. Wska|, kt�ry z izomer�w jest termodynamicznie najtrwalszy w temperaturze 298 K. Odpowiedz
uzasadnij obliczeniami.
3. Oblicz warto[ci staBych r�wnowagi K1, K2, K3.
4. ZakBadajc niezale|no[ entalpii i entropii reakcji od temperatury oszacuj, w jakiej temperaturze cis-
i trans-2-buten staj si jednakowo trwaBe.
l.p. alken So / J.mol-1.K-1
�Hosp / kJ.mol-1
1 1-buten 306
-2717
2 cis-2-buten 301
-2710
3 trans-2-buten 297
-2707
StaBa gazowa R = 8,314 J.mol-1.K-1
7
Rozwizanie zadania 1.
1. Ustalamy wz�r sumaryczny zwizku E. W 290,4 mg CO2 jest zawarte: 290,4 x 12,01 / 44,01 =
79,25 mg wgla; w 50,9 mg H2O znajduje si: 50,9 � 2,02 / 18,02 = 5,71 mg wodoru. Reszta przypada
na tlen: 100 - 79,25 - 5,71 = 15,04 mg. SkBad procentowy zwizku E: C 79,25 %, H 5,7 %, O
15,05 %. A wic: 79,25 / 12,01 : 5,71 / 1,01 : 15,04 / 16 = 6,60 : 5,65 : 0,94 = 7,02 : 6,01 : 1 E" 7 : 6 : 1.
Wz�r empiryczny zwizku E to: C7H6O. Poniewa| zwizek A zawiera pier[cieD benzenowy, wic
wycigamy wniosek, |e w caBym cigu A �! E mamy do czynienia ze zwizkami aromatycznymi.
Zwizki A, B i D mog zawiera tylko jeden pier[cieD benzenowy, aby miaBy mas molowa mniejsz
od 125 g/mol. Wyprowadzony wz�r: C7H6O wskazuje na mas molow 106,12, a zatem aby masa
molowa zwizku E byBa dwa razy wiksza od masy molowej zwizku A, zwizek E musi zawiera
dwa pier[cienie aromatyczne. Wz�r sumaryczny zwizku E: C14H12O2.
2. Wz�r C7H6O, speBniajcy warunek poBowy masy czsteczkowej zwizku E, trzeba
przyporzdkowa zwizkowi A. Temu wzorowi odpowiada aldehyd benzoesowy. Znan reakcj
dysproporcjonowania, kt�rej ulegaj aldehydy aromatyczne jest reakcja Cannizzaro (podanie tej nazwy
nie jest od zawodnik�w wymagane), w wyniku czego tworzy si alkohol i s�l kwasu
karboksylowego. Zwizek C jak wynika z dalszych etap�w procesu - musi by sol kwasu
benzoesowego, za[ zwizek B alkoholem benzylowym. Ostatni etap cigu syntezy to reakcja
estryfikacji alkoholu benzylowego z kwasem benzoesowym. Wzory strukturalne zwizk�w A - E
przedstawiaj si zatem nastpujco:
3. Zwizek B to alkohol benzylowy, czyli produkt redukcji aldehydu benzoesowego. Produktem
utleniania aldehydu jest s�l kwasu benzoesowego, a wic zwizek C.
8
Rozwizanie zadania 2.
1. (a) Stosunek molowy pierwiastk�w wynosi:
Fe : Mg : Si : O = (48,9/55,845) : (3,8/24,305) : (14,5/28,0855) : (32,8/15,9994) H"
0,88 : 0,16 : 0,52 : 2,05 H" 1,7 : 0,3 : 1 : 4, czyli zwizek A jest opisywany wzorem
Fe1,7Mg0,3SiO4. MineraB ten nosi nazw oliwinu. (Uwaga: dopuszczalny jest dowolny wz�r
wyra|ajcy prawidBowo stosunek liczby moli, np. Fe17Mg3Si10O40 ).
(b) W skBad soli wchodz jony: Fe2+, Mg2+ i SiO4- .
4
(c) Nietypowy i dowolny stosunek zawarto[ci jon�w Fe2+ i Mg2+ mo|na wyja[ni tym, |e jony
Fe2+ i Mg2+ mog si wzajemnie zastpowa w sieci krystalicznej. Zwizek ten mo|na
traktowa jak staBy roztw�r Fe2SiO4 i Mg2SiO4. Zjawisko takie nazywamy izomorfizmem,
a jony Fe2+ i Mg2+ stanowi par izomorficzn (Uwaga! nie jest wymagana znajomo[
pojcia izomorfizmu i pary izomorficznej).
(d) Par izomorficzn tworz jony o tym samym Badunku i podobnych promieniach.
2. Zwizek pozbawiony Fe byBby opisywany wzorem Mg2SiO4 (zwizek B). W przyrodzie
wystpuje jako mineraB forsteryt (Uwaga: nie jest wymagana znajomo[ nazw mineraB�w:
oliwin, forsteryt).
3. Mg2SiO4 + 2H2O + 4CO2 �! 2Mg2+ + 4HCO3- + SiO2
4. Krzem ze wzgldu na du|y promieD atomowy nie mo|e tworzy wizaD � i w rezultacie -
wizaD podw�jnych. W przypadku CO2, wskutek obecno[ci wizaD podw�jnych, wszystkie
wizania s wysycone. Dziki temu mog istnie trwaBe oddzielne czsteczki tego zwizku.
Takiej mo|liwo[ci wysycenia nie ma w przypadku SiO2 i atom tlenu musi Bczy si z dwoma
atomami Si. W wyniku tego tworzy si rozbudowana struktura ciaBa staBego o wzorze
sumarycznym SiO2.
Rozwizanie zadania 3
9
Pytanie I.
A + ne = B; A utleniacz (forma utleniona); B reduktor (forma zredukowana)
Ze znajomo[ci warto[ci potencjaB�w standardowych i kolejno[ci ich uBo|enia wypBywa szereg
praktycznych wniosk�w:
1) gdy potencjaB standardowy jest niski, to forma zredukowana danego ukBadu jest silnym
reduktorem, natomiast gdy potencjaB standardowy jest wysoki, to forma utleniona danego
ukBadu jest silnym utleniaczem
2) im ukBad ma ni|szy potencjaB standardowy, tym jest on silniejszym reduktorem, Batwiej jest
zatem przeprowadzi go w form utlenion, za[ trudniej z tej postaci przeprowadzi do formy
zredukowanej
3) ukBad o ni|szej warto[ci potencjaBu standardowego mo|e by reduktorem w stosunku do ukBadu
o wy|szym potencjale.
4) im wiksza jest r�|nica pomidzy warto[ciami potencjaB�w standardowych dw�ch wybranych
ukBad�w, tym bardziej prawdopodobne jest, |e po ich zmieszaniu ze sob ten o ni|szym
potencjale ulegnie utlenieniu, a ten o wy|szym potencjale - redukcji.
Opierajc si na powy|szych wnioskach mo|na stwierdzi, |e:
a) R�wnowaga ta jest przesunita w stron lew ( ClO- - utleniacz ; NH3 reduktor )
R�wnania reakcji poB�wkowych:
- -
ClO(aq) + H2O + 2e = Cl(aq) + 2OH-
(aq)
-
2NH3(aq) + 2OH(aq) = N2H4(aq) + 2H2O + 2e
R�wnanie reakcji sumarycznej:
- -
2NH3(aq) + ClO(aq) = N2H4 + Cl(aq) + H2O
2
b) R�wnowaga ta jest przesunita w stron lew ( S2O8- - utleniacz ; Cr(OH)3 - reduktor )
R�wnania poB�wkowe:
10
-
Cr(OH)3(s) + 5OH(aq) = CrO2- + 4H2O + 3e
4(aq)
2-
S2O8(aq) + 2e = 2SO2-
4(aq)
R�wnanie sumaryczne:
2-
2Cr(OH)3(s) + 3S2O8(aq) + 10OH- = 2CrO2- + 6SO2- + 8H2O
4(aq) 4(aq)
Pytanie II.
Zgodnie z definicj Br�nsteda kwasem jest zwizek chemiczny bdcy donorem protonu, za[
zasad - zwizek bdcy akceptorem protonu. Poniewa| w trakcie ka|dej reakcji kwas-zasada, kwas -
oddajc proton - przeksztaBca si w potencjaln zasad, za[ zasada - przyjmujc proton - przeksztaBca
si w potencjalny kwas, wprowadzono pojcia kwasu i sprz|onej z nim zasady oraz zasady i
sprz|onego z ni kwasu.
- 2-
a) HS(aq) + H2O = S(aq) + H3O+
HS- (kwas) - S2- (sprz|ona zasada)
H2O (zasada) - H3O+ (sprz|ony kwas)
- -
HS(aq) + H2O = H2S(aq) + OH(aq)
HS- (zasada) - H2S (sprz|ony kwas)
H2O (kwas) - OH- (sprz|ona zasada)
+
b) NH+ + H2O = NH3(aq) + H3O(aq)
4(aq)
NH+ (zasada) - NH3 (sprz|ona zasada)
4
H2O (zasada) - H3O+ (sprz|ony kwas)
2- - -
c) CO3(aq) + H2O = HCO3(aq) + OH(aq)
2 -
CO3- (zasada) - HCO3 (sprz|ony kwas)
H2O (kwas) - OH- (sprz|ona zasada)
11
-
d) (CH3 )NH(aq) + H2O = (CH3 )NH+ + OH(aq)
2(aq)
(CH3)2NH (zasada) - (CH3)NH+ (sprz|ony kwas)
2
H2O (kwas) - H2O (sprz|ona zasada)
Pytanie III.
a) Sol A jest jodek potasowy KI
b) AgI(s) + 2KCN(aq) �! KAg(CN)2(aq) + KI(aq)
�!
c) Je|eli w mieszaninie znajduje si w danym momencie 0,15 mola KI, to taka sama ilo[ AgI ulegBa
reakcji. PrzereagowaBo r�wnie| 0,30 mola KCN. W zwizku z tym skBad mieszaniny jest
nastpujcy:
KI - 0,15 mola KAg(CN)2 - 0,15 mola
AgI - 0,85 mola KCN - 0,20 mola
d) Wz�r kreskowy jonu CN-
-
C N
Rozwizanie zadania 4
a) skBadniki DNA: 1, 5 skBadniki RNA: 2, 4 skBadniki biaBek: 3, 6
b) hasBa zwizane z DNA: koniec 5 , deoksyryboza, zasada purynowa, podw�jna helisa, wizanie
N-glikozydowe, wgiel asymetryczny
hasBa zwizane z RNA: koniec 5 , zasada purynowa, grupa 2 -hydroksylowa, wizanie
N-glikozydowe, wgiel asymetryczny, enzym
hasBa zwizane z biaBkami: enzym, beta-harmonijka, C-koniec, wizanie amidowe, wgiel
asymetryczny
12
c) i d):
O
N
NH
OH
HO P O N
N
NH2
O
O
NH2
N
O
OH N
HO P O
N
N
O
O
5'-GA-3'
wizanie fosfodiestrowe
OH OH
wizanie peptydowe
O
O
H2N H
N
OH
HO
Ser-Phe
Rozwizanie zadania 5.
1.
�Hoizom
�Hosp1
�Hosp2
4 CO2 + 4 H2O
�Hosp1= �Hoizom + �Hosp2
�Hoizom = �Hosp1 - �Hosp2 = -2717 (-2710) = -7 kJ/mol
Analogicznie dla trans-2-butenu �Hoizom = -2717 (-2707) = -10 kJ/mol
2. Nale|y obliczy warto[ci standardowej entalpii swobodnej reakcji izomeryzacji:
13
�Goizom = �Hoizom-T�Soizom
a) 1-buten �! cis-2-buten: �Goizom = 7 298�(301 306)/1000 = 5,5 kJ/mol
b) 1-buten �! trans-2-buten: �Goizom = 10 298�(297 306)/1000 = 7,3 kJ/mol
c) cis-2-buten �! trans-2-buten: �Goizom = 7,3 ( 5,5) = 1,8 kJ/mol
Zatem szereg trwaBo[ci jest nastpujcy: trans-2-buten > cis-2-buten > 1-buten
3. Warto[ci staBych r�wnowagi mo|na obliczy na podstawie r�wnania izotermy van t Hoffa:
�Goizom = RT lnK
lnK = �Goizom/RT
K1 = exp[ ( 7300)/(8,314�298)] = 19,0; K2 = 9,2; K3 = 2,1
4. Musi by speBniony warunek:
�Gizom H" �Hoizom -T�Soizom = 0
Podstawiajc warto[ci standardowej entalpii i entropii izomeryzacji cis�!trans wyznaczamy
szukan temperatur:
3000 T(297 301) = 0
T = 3000/4
T H"750 K
W wy|szych temperaturach trwalszy staje si izomer cis.
Autorami zadaD s: zadanie 1 - Janusz StpiDski, zadanie 2 - Krzysztof
Maksymiuk, zadanie 3 - Zbigniew Brylewicz, zadanie 4 - Jacek Jemielity, zadanie 5
- Sergiusz LuliDski
Wyszukiwarka
Podobne podstrony:
47 Olimpiada chemiczna Etap I Zadania teoretyczne49 Olimpiada chemiczna Etap I Zadania teoretyczne53 Olimpiada chemiczna Etap I Zadania teoretyczne45 Olimpiada chemiczna Etap I Zadania teoretyczne48 Olimpiada chemiczna Etap I Zadania teoretyczne54 Olimpiada chemiczna Etap I Zadania teoretyczne52 Olimpiada chemiczna Etap I Zadania teoretyczne51Olimpiada chemiczna Etap I Zadania teoretyczne50 Olimpiada chemiczna Etap III49 Olimpiada chemiczna Etap III Zadania teoretyczne52 Olimpiada chemiczna Etap III Zadania teoretyczne45 Olimpiada chemiczna Etap III Zadania teoretyczne51 Olimpiada chemiczna Etap III Zadania teoretyczne54 Olimpiada chemiczna Etap III Zadania teoretyczne53 Olimpiada chemiczna Etap III Zadania teoretyczne45 Olimpiada chemiczna Etap 0więcej podobnych podstron